Ο αξιόπιστος και αποτελεσματικός ανθρωποκεντρικός σχεδιασμός προϊόντων και διαδικασιών παραγωγής αποτελεί μείζον ζήτημα της κατασκευαστική βιομηχανίας. Για το λόγο αυτό, πλήθος ελέγχων που αφορούν στη λειτουργικότητα, την ασφάλεια και την άνεση, τόσο των προϊόντων που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο, όσο και των διαδικασιών παραγωγής που συμμετέχει ο ανθρώπινος παράγοντας, πραγματοποιούνται και αξιολογούνται σε περιβάλλον Η/Υ με τη χρήση λογισμικών προσομοίωσης και εικονικής πραγματικότητας. Η ρεαλιστική και αξιόπιστη αναπαράσταση της ανθρώπινης κίνησης μέσα σε εικονικό περιβάλλον, αποτελεί στις μέρες μας επιτακτική ανάγκη. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας μοντελοποίησης της ανθρώπινης κίνησης, που βασίζεται στην προσαρμογή μιας υπάρχουσας κίνησης σε νέα ανθρωπομετρικά δεδομένα και περιορισμούς του περιβάλλοντος εργασίας (εικονικού πρωτοτύπου ή σταθμού εργασίας). Η προτεινόμενη προσέγγιση αποσκοπεί στη δημιουργία ρεαλιστικών και αξιόπιστων κινήσεων ψηφιακών ανθρωποειδών με στόχο την προσομοίωσή τους σε εικονικό περιβάλλον, ώστε να εξαχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα κατά την εργονομική αξιολόγηση του σχεδιασμού προϊόντων και σταθμών εργασίας σε γραμμή παραγωγής. Αρχικά, γίνεται εισαγωγή τόσο στη σπουδαιότητα, όσο και στα προβλήματα του εργονομικού σχεδιασμού με χρήση ψηφιακών ανθρωποειδών, που αποτέλεσαν και το κύριο έναυσμα της παρούσας έρευνας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης, που αφορούν σε μεθόδους μοντελοποίησης της ανθρώπινης κίνησης με χρήση τεχνολογίας ψηφιακών ανθρωποειδών, καθώς και σε λογισμικά προσομοίωσης ανθρώπινης συμπεριφοράς και εργονομικού σχεδιασμού. Στη συνέχεια, παρατίθεται μια εκτεταμένη ανάλυση που έχει ως στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της ανθρώπινης κίνησης. Η ανάλυση αυτή βασίζεται στη θεωρία του Στατιστικού Σχεδιασμού Πειραμάτων και χρησιμοποιεί πειραματικά δεδομένα καταγραφής ανθρώπινων κινήσεων. Η Ανάλυση της Διακύμανσης χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών που επηρεάζουν περισσότερο την ανθρώπινη κίνηση, καθώς και για την ποσοτικοποίηση της επιρροής τους στη διαφοροποίηση της κίνησης. Βάσει των αποτελεσμάτων της Ανάλυσης της Διακύμανσης, γίνεται ανάπτυξη ημι-εμπειρικών, προσθετικών μοντέλων κίνησης, τα οποία συσχετίζουν την επίδραση των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών με τις τροχιές των αισθητήρων που τοποθετούνται πάνω στο ανθρώπινο σώμα για την καταγραφή της κίνησης. Ακολουθεί η στοιχειοθέτηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης. Δεδομένου ότι η ανθρώπινη κίνηση αναλύεται σε ένα σύνολο διαδοχικών στιγμιοτύπων, η μεθοδολογία μοντελοποίησης αποσκοπεί στη δημιουργία στάσεων σώματος ψηφιακού ανθρωποειδούς για κάθε στιγμιότυπο του επιθυμητού σεναρίου κίνησης. Ως σενάριο κίνησης ορίζεται κάθε δυνατός συνδυασμός “εργασίας – ψηφιακού ανθρωποειδούς – περιβάλλοντος εργασίας”. Για τη δημιουργία ενός στιγμιότυπου της νέας κίνησης, ο αλγόριθμος της μεθοδολογίας παράγει τυχαίες εναλλακτικές στάσεις σώματος, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την αποφυγή τόσο των μη-ρεαλιστικών στάσεων, όσο και των στάσεων που δεν ικανοποιούν τους περιορισμούς του νέου σεναρίου κίνησης. Η βασική ιδέα της μεθοδολογίας μοντελοποίησης στηρίζεται στη θεωρία λήψης αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων, η οποία χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των εναλλακτικών και την τελική επιλογή των βέλτιστων στάσεων σώματος, για τη σύνθεση της νέας κίνησης. Τα κριτήρια αφορούν αφενός στην εξασφάλιση της ρεαλιστικότητας της κίνησης και αφετέρου στην ικανοποίηση των νέων χωρικών περιορισμών, που προκύπτουν από τις γεωμετρικές τροποποιήσεις του περιβάλλοντος εργασίας. Έπεται η περιγραφή των βοηθητικών και δομικών στοιχείων του συστήματος υλοποίησης, καθώς και ο αναλυτικός σχεδιασμός του. Το σύστημα που αναπτύχθηκε αποτελείται από τα ακόλουθα δομικά στοιχεία: i)τη βάση δεδομένων, στην οποία αποθηκεύονται οι κινήσεις αναφοράς, τα ψηφιακά ανθρωποειδή, τα περιβάλλοντα εργασίας και τα αρχεία περιγραφής εργασιών, ii)το μηχανισμό που παράγει τις εναλλακτικές στάσεις σώματος λαμβάνοντας υπ’ όψη τους νέους περιορισμούς, iii)τα κριτήρια αξιολόγησης των εναλλακτικών κινήσεων, που αφορούν στην ομοιότητα των γωνιών των αρθρώσεων του σώματος και στην ομοιότητα της θέσης του άκρου εργασίας, iv)τον πίνακα αποφάσεων, ο οποίος υπολογίζει το δείκτη αξιολόγησης για κάθε εναλλακτική, βάσει των κριτηρίων αξιολόγησης, v)το μηχανισμό συνολικής αξιολόγησης των εναλλακτικών, ο οποίος υπολογίζει τον τελικό δείκτη αξιολόγησης, βάσει των δεικτών αξιολόγησης του πίνακα αποφάσεων και των βαρών των κριτηρίων, vi)το μηχανισμό κατάταξης των εναλλακτικών στάσεων, ο οποίος κατατάσσει τις εναλλακτικές, βάσει του τελικού δείκτη αξιολόγησης, και επιλέγει τη βέλτιστη στάση σώματος για κάθε στιγμιότυπο κίνησης. Το σύστημα που αναπτύχθηκε παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας προσαρμοσμένων κινήσεων ψηφιακών ανθρωποειδών που ικανοποιούν τις νέες συνθήκες και περιορισμούς. Οι νέες συνθήκες και περιορισμοί προέρχονται από την τροποποίηση των ανθρωπομετρικών διαστάσεων του ψηφιακού ανθρωποειδούς που εκτελεί την κίνηση, ή/και από την τροποποίηση της γεωμετρίας του περιβάλλοντος εργασίας, όπου εκτελείται η κίνηση. Η αξιολόγηση της αξιοπιστίας της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης παρουσιάζεται μέσα από μια σειρά πειραμάτων εκτέλεσης της πιλοτικής εφαρμογής από το χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας. Η πιλοτική εφαρμογή αποσκοπεί στην εργονομική αξιολόγηση του σχεδιασμού του εσωτερικού ενός επιβατηγού αυτοκινήτου, επικεντρώνοντας στην επιλογή της βέλτιστης θέσης του καθίσματος του οδηγού και της εσωτερικής λαβής της πόρτας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης καταδεικνύει τις δυνατότητες πρόβλεψης του αλγορίθμου όταν τροποποιούνται, τόσο τα ανθρωπομετρικά, όσο και οι διαστάσεις του περιβάλλοντος εργασίας. Ο αλγόριθμος δημιουργεί ρεαλιστικές και αξιόπιστες ανθρώπινες κινήσεις οι οποίες μπορούν να συντελέσουν στη βελτίωση του εργονομικού σχεδιασμού προϊόντων και διαδικασιών παραγωγής. / The efficient and reliable human-centred design of products and processes is a major goal of the manufacturing industry. Thus, numerous aspects related to performance, safety and ergonomics, need to be verified using Simulation and Virtual Reality techniques, in the context of the product development procedure. The realistic and accurate representation of human motion in Virtual Environment is crucial for the reliability of the simulation results. In this context, this dissertation focuses on the design and development of a novel methodology for human motion modelling, based on the adaptation of a given motion of a digital human model to new anthropometrics and environment’s constraints (related to virtual prototype or workspace). The proposed approach aims at the generation of realistic and reliable digital human motions in order to drive computer manikins into a Virtual Environment, so as to obtain reliable evaluation results during ergonomic design of a product or a production line’s workspace. The introductory chapter presents both the importance and the limitations of the ergonomic design using computer manikins, which consisted the major motivation of this research work. State-of-the-art is presented next, concerning other approaches related to human motion modeling using computer manikins, as well as software tools for digital human modeling and ergonomic design. Next chapter presents an extensive analysis, which focuses on the better understanding of the human motion. This analysis is based on a Statistical Design Of Experiments (SDoE) and makes use of experimental motion captured data. Analysis of Variance (ANOVA) was performed for the determination of the impact factor of the anthropometric parameters influencing the human motion path. Semi-empirical additive models was developed next, based on the results of this analysis, which connects the effect of anthropometrics with the trajectories of the markers that are attached on the human body during the motion capture procedure. The composing of the proposed motion modelling methodology is following. Given that human motion is analysed by a set of sequential motion frames, the modelling methodology aims at the generation of digital human’s postures for each frame of the desirable motion scenario. Motion scenario is each possible combination of “task – computer manikin – environment”. For the creation of a new motion’s frame, the algorithm of the methodology generates alternative postures, ensuring the rejection of non-realistic and constraint-violating postures. The basic concept of the modelling methodology is based on the multi-criteria decision making, which is used for the alternatives’ evaluation and the selection of the best-ranked human postures that constitute the new human motion. The criteria concern both the extensionality of the new motion and the satisfaction of the new constraints, related to the geometric modifications of the working environment. The description of the primary and secondary components of the implemented system, as well as their detailed design are presented next. The developed system consists of the following primary components: i)the data base, which includes reference motions, computer manikins, virtual environments and tasks , ii)the alternative generation mechanism, which takes into account the new constraints, iii)the evaluation criteria of alternatives, which are related to joint angles’ and end-effector’s similarity, iv)the decision matrix, which calculates the evaluation score of each alternative posture, based on the criteria, v)the aggregation mechanism, which calculates the utility score of each alternative, based on the evaluation scores and the weights of the criteria, vi)the ranking mechanism, which sorts the alternatives based on the utility score and selects the best-ranked alternative for each motion frame. The developed system enables the creation of adapted motions for digital humans that satisfies the new conditions and constraints. The new conditions and constraints come from the modification of the anthropometrics of the digital human model that realize the motion and/or the modification of the shape/geometry of the working environment. The evaluation of the proposed methodology’s efficiency is illustrated through a set of experiments through the pilot application coming from the automotive industry. The pilot application aims at the ergonomic evaluation of the interior design of a passenger car, focusing mainly on the position optimization for the driver’s seat and the door’s handle. The evaluation demonstrates the prediction capabilities of the algorithm, when both anthropometrics and environment parameters are modified. The algorithm generates accurate and realistic human motions that can be efficiently used in order to improve the computer-aided ergonomic design of manufacturing products and processes.

Στην παρούσα εργασία υλοποιούμε ένα σύστημα δημιουργίας περιλήψεων από ακολουθίες βίντεο. Υλοποιούνται όλα τα βήματα που θα πρέπει να ακολουθηθούν (εξαγωγή χαρακτηριστικών-ανίχνευση πλάνων-εξαγωγή χαρακτηριστικών καρέ) έτσι ώστε να εξαχθεί ένα σύνολο καρέ (χαρακτηριστικά καρέ) τα οποία να συνοψίζουν νοηματικά το περιεχόμενο μιας ακολουθίας βίντεο. Η επεξεργασία του βίντεο γίνεται απευθείας στο συμπιεσμένο πεδίο και συγκεκριμένα σε συμπιεσμένα αρχεία MPEG-1-2, έτσι ώστε τα αποτελέσματα να εξάγονται σε σχετικά μικρό χρόνο και με σχετικά χαμηλές απαιτήσεις σε αποθηκευτικό χώρο και επεξεργαστική ισχύ. / In this paper a video summarization system is being constructed. We acomplish all the needed steps (feature extraction -shot detection-keyframe extraction) in order to extract a set of frames (keyframes) that capture the semantic content of the video sequence. The processing of the video takes place directly at the compressed domain (at MPEG-1-2 video files). Thus we obtain results at relatively little time and with relatively low storage and computer power demands.

Η επιθυμία του ανθρώπου για ποιοτική και αδιάκοπη επικοινωνία, έχει ωθήσει την τεχνολογία να κάνει άλματα εξέλιξης. Η συνεχής ανάπτυξη των απαιτήσεων των χρηστών των τηλεπικοινωνιακών δικτύων, καθιστά αναγκαία την ανανέωση των τεχνολογιών και ιδιαίτερα την αύξηση του παρεχόμενου εύρους ζώνης, ώστε να συμβαδίζει με τις ανάγκες τους. Γι’αυτό το λόγο τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί οι οπτικές ίνες, που με τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, κερδίζουν ολοένα και περισσότερο τις αγορές και τους καταναλωτές. Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι τεχνολογίες που χρησιμοποιεί ένα δίκτυο βασισμένο σε οπτικές ίνες (παθητικό οπτικό δίκτυο – PON). Εξετάζεται τόσο η τεχνολογία TDMA, όσο και η WDMA στα PONs. Η μελέτη γίνεται πάνω στο πρότυπο ΕΡΟΝ (Ethernet-PON), που ορίστηκε ως το καταλληλότερο συγκριτικά με άλλα παρόμοιά του. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η διάθεση εύρους ζώνης στο ανοδικό κανάλι (από τον χρήστη προς το τηλεπικοινωνιακό κέντρο) στα συστήματα ΕΡΟΝ και τι αποτελέσματα και συμπεράσματα μπορούν να ληφθούν. Αρχικά, αναφέρεται μια προηγούμενη μελέτη ενός ΕΡΟΝ η οποία κάνει χρήση του αλγορίθμου IPACT, της περιορισμένης υπηρεσίας (limited service) του αλγορίθμου και υποστηρίζει μονοδιάστατη ανοδική κίνηση δεδομένων. Το δίκτυο ΕΡΟΝ μοντελοποιείται και προσφέρει αποτελέσματα ύστερα από μαθηματική ανάλυση με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C, καθώς και αποτελέσματα με τη χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5. Στη συνέχεια, περιγράφεται και μοντελοποιείται ένα δίκτυο ΕΡΟΝ που κάνει χρήση της σταθερής υπηρεσίας (fixed service) του αλγορίθμου IPACT και υποστηρίζει πολλαπλές κατηγορίες υπηρεσιών ανοδικής κίνησης δεδομένων με διαφορετικές προτεραιότητες. Και σε αυτή την περίπτωση, το δίκτυο ΕΡΟΝ προσφέρει αποτελέσματα τόσο από ένα αναλυτικό μοντέλο, όσο και από ένα μοντέλο προσομοίωσης. Τέλος, περιγράφεται και μοντελοποιείται ένα δίκτυο όμοιο με το προηγούμενο δίκτυο ΕΡΟΝ, με τη διαφορά να έγκειται στη χρήση της τεχνολογίας WDM στο ΕΡΟΝ. Η μελέτη σε αυτό το τμήμα της εργασίας γίνεται με χρήση επίσης της σταθερής υπηρεσίας (fixed service) του αλγορίθμου IPACT και υποστηρίζει πολλαπλές κατηγορίες υπηρεσιών ανοδικής κίνησης δεδομένων με διαφορετικές προτεραιότητες. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται μια σημαντική αύξηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης του ανοδικού καναλιού που προσφέρεται στους χρήστες. Για άλλη μια φορά παρουσιάζονται αποτελέσματα ύστερα από ανάλυση και προσομοίωση του μοντέλου, με χρήση, όπως και προηγουμένως, της γλώσσας προγραμματισμού C και της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5. Τα συμπεράσματα που εξάγονται, ύστερα από τις παραπάνω μελέτες, είναι άξια προσοχής. / In the past few years technology, in the communication field, has made great progress due to the fact that people desire more and more good quality of service. The continuous demand for development of the subscribers using the telecommunication services, necessitates the technological renewal and especially the increase of the available bandwidth. For this reason, optical fibers have appeared in the networking field and they are becoming more known by the users and in the market every day. In this dissertation the advantages and the technologies a network, based on optical fiber uses, are presented. An optical fiber network it is also called Passive Optical Network (PON). The TDMA (Time Division Multiplexing Access) and WDMA (Wavelength Division Multiplexing Access) technologies are examined. The study is based on an EPON (Ethernet-PON) standard, which was chosen as the most suitable among others. More specifically, the available upstream (from the users to the Central Office) bandwidth in an EPON model and the results that can be deduced are examined. In the beginning, a previous study of an EPON which uses the IPACT (Interleaved Polling with Cycle Time) algorithm is reported. The EPON network uses the limited service of the IPACT algorithm and supports a single rate. A specific model of an EPON network is studied and results using the C programming language and the simulation language SIMSCRIPT II.5 are given. Moreover, an EPON network which uses the fixed service of the IPACT algorithm which supports a multi-rate upstream with different priorities is described and modeled. In this case as well, the EPON model network gives results based on analysis and simulation. In the end, a same EPON network, as the one described before, is studied and modeled having as a difference that a WDM technology is used. The fixed service of the IPACT algorithm is used and a multi-rate upstream with different priorities are supported again. With this different technology, an important increase in the available upstream bandwidth which is provided to the users is accomplished. Once again, the results are presented after an analysis and a simulation of the model, using the programming language C and the simulation language SIMISCRIPT II.5. The extracted results which the models can offer are worthy of attention.

Μια από τις συνεχώς εξελισσόμενες περιοχές της επιστήμης των υπολογιστών είναι η Υπολογιστική Όραση, σκοπός της οποίας είναι η δημιουργία έξυπνων συστημάτων για την ανάκτηση πληροφοριών από πραγματικές εικόνες. Πολλές σύγχρονες εφαρμογές της υπολογιστικής όρασης βασίζονται στην αντιστοίχιση εικόνων. Την πλειοψηφία των αλγορίθμων αντιστοίχισης συνθέτουν παραμετρικές τεχνικές, σύμφωνα με τις οποίες υιοθετείται ένα παραμετρικό μοντέλο, το οποίο εφαρμοζόμενο στη μια εικόνα δύναται να παρέχει μια προσέγγιση της άλλης. Στο πλαίσιο της διατριβής μελετάται εκτενώς το πρόβλημα της Στερεοσκοπικής Αντιστοίχισης και το γενικό πρόβλημα της Ευθυγράμμισης Εικόνων. Για την αντιμετώπιση του πρώτου προβλήματος προτείνεται ένας τοπικός αλγόριθμος διαφορικής αντιστοίχισης που κάνει χρήση μιας νέας συνάρτησης κόστους, του Τροποποιημένου Συντελεστή Συσχέτισης (ECC), η οποία ενσωματώνει το παραμετρικό μοντέλο μετατόπισης στον κλασικό συντελεστή συσχέτισης. Η ενσωμάτωση αυτή καθιστά τη νέα συνάρτηση κατάλληλη για εκτιμήσεις ανομοιότητας με ακρίβεια μικρότερη από αυτήν του εικονοστοιχείου. Αν και η συνάρτηση αυτή είναι μη γραμμική ως προς την παράμετρο μετατόπισης, το πρόβλημα μεγιστοποίησης έχει κλειστού τύπου λύση με αποτέλεσμα τη μειωμένη πολυπλοκότητα της διαδικασίας της αντιστοίχισης με ακρίβεια υπο-εικονοστοιχείου. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος παρέχει ακριβή αποτελέσματα ακόμα και κάτω από μη γραμμικές φωτομετρικές παραμορφώσεις, ενώ η απόδοσή του υπερτερεί έναντι γνωστών στη διεθνή βιβλιογραφία τεχνικών αντιστοίχισης ενώ φαίνεται να είναι απαλλαγμένος από το φαινόμενο pixel locking. Στην περίπτωση του προβλήματος της ευθυγράμμισης εικόνων, η προτεινόμενη συνάρτηση γενικεύεται με αποτέλεσμα τη δυνατότητα χρήσης οποιουδήποτε δισδιάστατου μετασχηματισμού. Η μεγιστοποίησή της, η οποία αποτελεί ένα μη γραμμικό πρόβλημα, επιτυγχάνεται μέσω της επίλυσης μιας ακολουθίας υπο-προβλημάτων βελτιστοποίησης. Σε κάθε επανάληψη επιβάλλεται η μεγιστοποίηση μιας μη γραμμικής συνάρτησης του διανύσματος διορθώσεων των παραμέτρων, η οποία αποδεικνύεται ότι καταλήγει στη λύση ενός γραμμικού συστήματος. Δύο εκδόσεις του σχήματος αυτού προτείνονται: ο αλγόριθμος Forwards Additive ECC (FA-ECC) και o αποδοτικός υπολογιστικά αλγόριθμος Inverse Compositional ECC (IC-ECC). Τα προτεινόμενα σχήματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα (FA-LK και SIC) του αλγόριθμου Lucas-Kanade, ο οποίος αποτελεί σημείο αναφοράς στη σχετική βιβλιογραφία, μέσα από μια σειρά πειραμάτων. Ο αλγόριθμος FA-ECC παρουσιάζει όμοια πολυπλοκότητα με τον ευρέως χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο FA-LΚ και παρέχει πιο ακριβή αποτελέσματα ενώ συγκλίνει με αισθητά μεγαλύτερη πιθανότητα και ταχύτητα. Παράλληλα, παρουσιάζεται πιο εύρωστος σε περιπτώσεις παρουσίας προσθετικού θορύβου, φωτομετρικών παραμορφώσεων και υπερ-μοντελοποίησης της γεωμετρικής παραμόρφωσης των εικόνων. Ο αλγόριθμος IC-ECC κάνει χρήση της αντίστροφης λογικής, η οποία στηρίζεται στην αλλαγή των ρόλων των εικόνων αντιστοίχισης και συνδυάζει τον κανόνα ενημέρωσης των παραμέτρων μέσω της σύνθεσης των μετασχηματισμών. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά έχουν ως αποτέλεσμα τη δραστική μείωση του υπολογιστικού κόστους, ακόμα και σε σχέση με τον SIC αλγόριθμο, με τον οποίο βέβαια παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά. Αν και ο αλγόριθμος FA-ECC γενικά υπερτερεί έναντι των τριών άλλων αλγορίθμων, η επιλογή μεταξύ των δύο προτεινόμενων σχημάτων εξαρτάται από το λόγο μεταξύ ακρίβειας αντιστοίχισης και υπολογιστικού κόστους. / Computer Vision has been recently one of the most active research areas in computer society. Many modern computer vision applications require the solution of the well known image registration problem which consist in finding correspondences between projections of the same scene. The majority of registration algorithms adopt a specific parametric transformation model, which is applied to one image, thus providing an approach of the other one. Towards the solution of the Stereo Correspondence problem, where the goal is the construction of the disparity map, a local differential algorithm is proposed which involves a new similarity criterion, the Enhanced Correlation Coefficient (ECC). This criterion is invariant to linear photometric distortions and results from the incorporation of a single parameter model into the classical correlation coefficient, defining thus a continuous objective function. Although the objective function is non-linear in translation parameter, its maximization results in a closed form solution, saving thus much computational burden. The proposed algorithm provides accurate results even under non-linear photometric distortions and its performance is superior to well known conventional stereo correspondence techniques. In addition, the proposed technique seems not to suffer from pixel locking effect and outperforms even stereo techniques, dedicated to the cancellation of this effect. For the image alignment problem, the maximization of a generalized version of ECC function that incorporates any 2D warp transformation is proposed. Although this function is a highly non-linear function of the warp parameters, an efficient iterative scheme for its maximization is developed. In each iteration of the new scheme, an efficient approximation of the nonlinear objective function is used leading to a closed form solution of low computational complexity. Two different iterative schemes are proposed; the Forwards Additive ECC (FA-ECC) and the Inverse Compositional ECC (IC-ECC) algorithm. Τhe proposed iterative schemes are compared with the corresponding schemes (FA-LK and SIC) of the leading Lucas-Kanade algorithm, through a series of experiments. FA-ECC algorithm makes use of the known additive parameter update rule and its computational cost is similar to the one required by the most widely used FA-LK algorithm. The proposed iterative scheme exhibits increased learning ability, since it converges faster with higher probability. This superiority is retained even in presence of additive noise and photometric distortion, as well as in cases of over-modelling the geometric distortion of the images. On the other hand, IC-ECC algorithm makes use of inverse logic by swapping the role of images and adopts the transformation composition update rule. As a consequence of these two options, the complexity per iteration is drastically reduced and the resulting algorithm constitutes the most computationally efficient scheme than three other above mentioned algorithms. However, empirical learning curves and probability of convergence scores indicate that the proposed algorithm has a similar performance to the one exhibited by SIC. Though FA-ECC seems to be clearly more robust in real situation conditions among all the above mentioned alignment algorithms, the choice between two proposed schemes necessitates a trade-off between accuracy and speed.

Αντικείμενο αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας είναι ο εντοπισμός της ύπαρξης μιας κυρίαρχης ευρείας ζώνης ισοτροπικής πηγής κι η εκτίμηση των συντεταγμένων θέσης αυτής, όταν αυτή βρίσκεται σ’ έναν τρισδιάστατο ή δισδιάστατο χώρο, ο οποίος εποπτεύεται και παρακολουθείται από ένα δίκτυο τυχαία διασκορπισμένων αισθητήρων. Οι κόμβοι του δικτύου μπορούν να περιέχουν ακουστικά, παλμικά κι άλλου είδους μικροηλεκτρομηχανολογικά στοιχεία αίσθησης του περιβάλλοντος. Κατά την αίσθηση ενός γεγονότος ενδιαφέροντος μπορούν να αυτοοργανωθούν σ’ ένα συγχρονισμένο ασύρματο ραδιοδίκτυο χρησιμοποιώντας χαμηλής κατανάλωσης πομποδέκτες spread spectrum, ώστε να επικοινωνούν μεταξύ τους και με τους κεντρικούς επεξεργαστές. Ο εντοπισμός της ύπαρξης μιας κυρίαρχης πηγής σ’ ένα δίκτυο αισθητήρων, με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, επιτεύχθηκε με τη χρήση μιας τυφλής μεθόδου μορφοποίησης λοβού, γνωστή ως μέθοδος συλλογής της μέγιστης ισχύος. Η μέθοδος αυτή, η οποία υλοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας, παρέχει τις εκτιμήσεις των σχετικών χρόνων καθυστέρησης άφιξης του σήματος της κυρίαρχης πηγής στους αισθητήρες του δικτύου ως προς έναν αισθητήρα αναφοράς. Κύριο αντικείμενο μελέτης αυτής της εργασίας είναι ο υπολογισμός του κυρίαρχου ιδιοδιανύσματος του δειγματοληπτημένου πίνακα αυτοσυσχέτισης. Αυτό επιτυγχάνεται στη βιβλιογραφία που μελετήθηκε είτε με χρήση της δυναμικής μεθόδου είτε με χρήση της μεθόδου ιδιοανάλυσης. Ανά στιγμιότυπο δειγμάτων απαιτείται η ανανέωση του πίνακα αυτοσυσχέτισης κι ο υπολογισμός του κυρίαρχου ιδιοδιανύσματος. Όμως, οι δύο παραπάνω μέθοδοι για τον υπολογισμό αυτό χρειάζονται αυξημένη πολυπλοκότητα μιας κι η διάσταση του πίνακα είναι αρκετά μεγάλη. Η συνεισφορά της εργασίας αυτής έγκειται στη μείωση αυτής της πολυπλοκότητας με τη χρήση μιας προσαρμοστικής μεθόδου υπολογισμού του κυρίαρχου ιδιοδιανύσματος. Τέλος, αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι και το πρόβλημα εντοπισμού και παρακολούθησης των συντεταγμένων θέσης της κυρίαρχης πηγής από τις εκτιμήσεις των σχετικών χρόνων καθυστέρησης άφιξης. / Object of this postgraduate work are the detection of presence of an isotropic wideband dominant source and the estimate of its coordinates of placement (localization), when the source is found in a three or two dimensional space, which is supervised and watched by a randomly distributed sensor network. The nodes of the network may contain acoustical, vibrational and other MEM-sensing (Micro-Electro-Mechanical) elements. Upon sensing an event of interest, they can self-organize into a synchronized wireless radio network using low-power spread-spectrum transceivers to communicate among themselves and central processors. The detection of presence of a dominant source in a sensor network, with the above characteristics, was achieved with the use of a blind beamforming method, known as the maximum power collection method. This method, which was implemented in the context of this work, provides estimates of the relative time delays of arrival (relative TDEs - Time Delay Estimations) of the dominant source’s signal to the sensors of the network referenced to a reference sensor. The main object of study of the work is the calculation of the dominant eigenvector of the sampled correlation matrix. This is achieved, in the bibliography that was studied, either by using the power method or with use of the SVD method (Singular Value Decomposition). Per snapshot of samples it is required to update the autocorrelation matrix and to calculate the dominant eigenvector. However, the above two methods for this calculation have an increased complexity because the dimension of the matrix is high enough. The contribution of this work lies in the reduction of that complexity by using an adaptive method for the dominant eigenvector calculation. Finally, this work also focuses on the problem of localization and tracking of the coordinates of placement of the dominant source from the estimates of the relative time delays of arrival.

Η μεγάλη διαθεσιμότητα ευρυζωνικής πρόσβασης και η πληθώρα νέων διαδικτυακών υπηρεσιών οδήγησε στην ενσωμάτωση του διαδικτύου στην καθημερινότητά μας. Οι χρήστες του διαδικτύου μέσα στο 2011 έφτασαν το 1.5 δισεκατομμύριο με έντονα αυξητικές τάσεις, ιδιαιτέρως σε χώρες της Ασίας. Αυτή η αύξηση έχει γίνει εφικτή χάρη στο τεράστιο εύρος ζώνης και την υψηλή αξιοπιστία των οπτικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων κορμού σε συνδυασμό με το όλο και μειούμενο κόστος ανά bit της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Πρόσφατες μελέτες έχουν καταδείξει ότι η πλειοψηφία του μεταδιδόμενου όγκου δεδομένων στο διαδίκτυο (>50%) μεταδίδεται μέσω του πρωτοκόλλου HTTP, με ισχυρές ενδείξεις ότι το ενδιαφέρον των χρηστών απομακρύνεται από τις P2P εφαρμογές σε υπηρεσίες video/audio streaming και κοινωνικής δικτύωσης. Όμως, ενώ σταδιακά εμφανίζεται η ανάγκη για επόμενης γενιάς υπηρεσιών δικτύου, (e- science, τηλεργασία, HD-IPTV, VOD) με ιδιαίτερες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, ποιότητα υπηρεσίας και καθυστέρηση τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα στις μέρες μας είναι προσανατολισμένα στο να παρέχουν χαμηλού κόστους «best effort» υπηρεσίες χωρίς κανενός είδους εγγυήσεις. Η έλευση καινοτομικών διαδικτυακών υπηρεσιών έχει σαν αποτέλεσμα σταδιακά η χωρητικότητα των (ηλεκτρονικών) συσκευών μεταγωγής να γίνεται το σημείο συμφόρησης, αφού η μετατροπή των πακέτων στο ηλεκτρονικό πεδίο και η ένα-προς-ένα επεξεργασία των επικεφαλίδων τους δεν είναι κλιμακώσιμη σε ρυθμούς διαμεταγωγής της τάξης των Tbps. Η αρχιτεκτονική μεταγωγής οπτικής ριπής (OBS) μπορεί να δώσει λύση σε αυτό το πρόβλημα, χάρη στα σημαντικά της πλεονεκτήματα. Στην αρχιτεκτονική OBS, τα πακέτα δεδομένων συναθροίζονται σε ριπές (bursts) οι οποίες μεταδίδονται χωρίς προ-εγκατάσταση κυκλώματος, και μετάγονται με διαφανή-οπτικό τρόπο από την πηγή στον προορισμό. Επίσης η αρχιτεκτονική OBS είναι η μόνη (πρακτικά εφαρμόσιμη) αμιγώς οπτική τεχνολογία μεταγωγής με sub-lambda ικανότητες δέσμευσης πόρων. Η επίλυση ενός αριθμού ανοιχτών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η αρχιτεκτονική OBS θα επιτρέψει την εμπορική αξιοποίησή της στα δίκτυα κορμού των τηλεπικοινωνιακών παρόχων. Στόχος μας στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής έρευνας είναι η πρόταση καινοτομικών πρωτοκόλλων και αρχιτεκτονικών που δίνουν λύσεις σε ανοιχτά προβλήματα της τεχνολογίας OBS. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά στρέφουμε την προσοχή μας στην αποδοτική μετάδοση TCP κίνησης πάνω από OBS δίκτυα. Πρόκειται για ένα δύσκολο πρόβλημα που έχει μελετηθεί εκτενώς στη βιβλιογραφία, λόγω της ευαισθησίας του TCP πρωτόκολλου στις απώλειες πακέτων, οι οποίες συμβαίνουν στα OBS δίκτυα λόγω ανταγωνισμού ριπών ακόμα και σε συνθήκες χαμηλού φορτίου. Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί πληθώρα λύσεων για την αντιμετώπιση του προβλήματος, τόσο στο OBS domain (π.χ. με τη χρήση κατάλληλων πρωτόκολλων χρονοπρογραμματισμού) όσο και στο TCP domain (βελτίωση του TCP πρωτοκόλλου). Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια σειρά εκτενών προσομοιώσεων σε ρεαλιστικές συνθήκες με χιλιάδες ενεργές TCP πηγές, που εστιάζουν στην κατανομή TCP πακέτων και συνόδων στις μεταδιδόμενες ριπές καθώς και στη συμπεριφορά του παράθυρου συμφόρησης. Το συμπέρασμά μας ήταν ότι οι αλγόριθμοι συναρμολόγησης με μοναδικό κατώφλι εμφανίζουν βέλτιστη απόδοση μόνο για συγκεκριμένες TCP πηγές με κοινά χαρακτηριστικά, προτείνοντας τους αλγόριθμους συναρμολόγησης πολλαπλών κλάσεων σαν πιθανή λύση. Οι τελευταίοι δείξαμε ότι μπορούν να οδηγήσουν σε βελτίωση του TCP throughput, όταν κάθε κατηγορία TCP πηγής ανατίθεται σε διαφορετική κλάση συναρμολόγησης με διαφορετικό assembly timer. Ένα ακόμα πρόβλημα που παρατηρήθηκε κατά τη μεταφορά TCP κίνησης σε OBS δίκτυα και μελετήθηκε στις προσομοιώσεις μας ήταν ο συγχρονισμός των TCP πηγών. Η απώλεια πολλαπλών TCP πακέτων με μία χαμένη ριπή συχνά οδηγούσε σε συγχρονισμό των TCP πηγών που μεταφέρονταν στη ριπή, ένα πρόβλημα που χειροτέρευε όσο αύξανε η πιθανότητα απώλειας ριπής. Για την αντιμετώπιση του συγχρονισμού των TCP πηγών, προτάθηκαν μια σειρά από αλγόριθμοι συναρμολόγησης πολλαπλών κλάσεων, οι οποίοι εισάγουν ένα βαθμό τυχαιότητας στην ανάθεση TCP πηγών σε κλάσεις συναρμολόγησης για την αποφυγή του συγχρονισμού. Στη συνέχεια στρέψαμε το ενδιαφέρον μας στο πρόβλημα παροχής ποιότητας υπηρεσίας σε ένα OBS δίκτυο με υποστήριξη πολλαπλών κλάσεων, στοχεύοντας στην αποδοτική μετάδοση βίντεο κίνησης. Συγκεκριμένα, προτείναμε ένα νέο σχήμα παροχής ποιότητας υπηρεσίας το οποίο βασίζεται στην τεχνική των burst preemptions. Για να έχουμε μια ρεαλιστική εκτίμηση της βελτίωσης ποιότητας της βίντεο κίνησης, χρησιμοποιήσαμε μετρικές σχετικά με την αντιληπτή ποιότητα της video κίνησης, όπως το MOS score και το PSNR. Στη συνέχεια προτείνουμε μια νέα αρχιτεκτονική για δημιουργία προφίλ και πρόβλεψη κίνησης σε δίκτυα μεταγωγής οπτικής ριπής, με στόχο τη βελτιστοποίηση της μετάδοσης TCP κίνησης. Σε αυτή την αρχιτεκτονική, ένας TCP profiler υπολογίζει ένα σύνολο στατιστικών στοιχείων για τις ενεργές TCP πηγές παράλληλα με τη διαδικασία συναρμολόγησης ριπής. Αυτά αξιοποιούνται για την κατασκευή του μοντέλου κίνησης στο οποίο βασίζεται η πρόβλεψη του μεγέθους ριπών σε ένα χρονικό παράθυρο μήκους τουλάχιστον ίσου με RTT. Η πρόβλεψη του μεγέθους των ριπών επιτρέπει την εκ των προτέρων ενημέρωση των χρονοπρογραμματιστών του δικτύου κομού για επερχόμενες μεταβολές στην κίνηση του δικτύου, ώστε να επανα-χρονοπρογραμματίσει τις δεσμεύσεις πόρων με βέλτιστο τρόπο. Για την εκ των προτέρων ενημέρωση των κόμβων κορμού προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο προληπτικής δέσμευσης πόρων, του οποίου η συνεισφορά την απόδοση του δικτύου και τη χρησιμοποίηση των τηλεπικοινωνιακών γραμμών αξιολογείται με ένα σύνολο λεπτομερών προσομοιώσεων. Στο τελευταίο μέρος της διδακτορικής διατριβής στρέφουμε το ενδιαφέρον μας στις υβριδικές οπτικές αρχιτεκτονικές. Επειδή καμία οπτική δικτυακή τεχνολογία δε δίνει λύση σε όλα τα προβλήματα και τις απαιτήσεις των μελλοντικών οπτικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, πολλά υποσχόμενες είναι οι λεγόμενες υβριδικές τεχνολογίες οι οποίες συνδυάζουν χαρακτηριστικά από περισσότερες της μίας βασικές αρχιτεκτονικές (OBS, OCS και OPS). Σε αυτά τα πλαίσια προτείνεται η νέα υβριδική αρχιτεκτονική HOBS (Hybrid Optical Burst Switching) η οποία εκμεταλλεύεται τις κενές περιόδους κατά την εγκατάσταση κυκλωμάτων ενός Dynamic Circuit Switching δικτύου για τη μετάδοση ριπών δεδομένων. / The wide availability of broadband access has allowed users to tightly integrate network use into their daily lives. There will be 1.5 billion people with Internet access in 2011 and a big growth rate in the online population, primarily occurring in Brazil, Russia, India and China. This growth has been made possible due to the vast capacity of optical core networks, and the decreasing cost per bit. New research has shown that P2P no longer dominates internet traffic; HTTP is now dominant in terms of bytes transmitted by a big margin for a significant fraction of the Internet. User’s interest has shifted to new video/audio streaming services and social networking sites. However while new generation services are emerging, such as e-science, HD-IPTV and VOD, with high bandwidth requirements and special QoS needs modern commercial networks are engineered for low cost, best effort access. The advent of innovative web services along with the phenomenal increase of internet traffic has resulted in the capacity of electronic routers becoming the bottleneck point of modern telecommunication networks. With terabit-per-second bandwidths, IP routing that converts optical signals into electric signals and identifies IP headers one-by-one cannot meet the demands. Optical Burst Switching (OBS) architecture has beed proposed as a near- term solution to this problem. Data packets in OBS are assembled to bursts which are immediately transmitted without acknowledgements and switched all-optically in the network core. OBS is the only practical optical switch architecture that can offer sub-wavelength resource reservation. However, there are a set of limitations and open problems that hinder the wider adoption of OBS architecture. The contribution of this thesis is a set of innovative algorithms, protocols and architectures for OBS networks to enhance performance in real world networks. These include –but are not limited to– burst assembly and scheduling algorithms, reservation protocols and QoS differentiation. The efficient transmission of TCP traffic over OBS networks is a challenging problem in OBS networks, due to the high sensitivity of TCP congestion control mechanism to burst losses. Various burst assembly and burst scheduling algorithms have been proposed in the literature, to enhance the efficient transmission of TCP over OBS networks. However it still remains an open problem, since the relatively high burst loss ratio experienced in OBS networks is incompatible with TCP congestion control mechanism. It has been observed that burst losses have a significant impact on the TCP end-to-end performance. One burst loss typically results in many sources timing out and subsequently entering the slow start phase. In this thesis, we study the problem of TCP over OBS transmission through extensive simulations in a real-world scenario, with thousands of active TCP connections. We conclude that fixed timer-based burstifiers are not appropriate, since they do not provide maximum performance but only optimal performance for individual flows with similar characteristics. To address this problem, in this thesis we propose multi-class burst assembly algorithms. We have shown that these can lead to an enhanced TCP throughput, by assigning a different assembly timer to each class of service. In our simulations we observed that burst losses would often result in synchronizing TCP transmissions with an imminent effect on link utilization. This phenomenon was caused by multiple packet losses from different TCP flows in a single round and was exaggerated with high burst loss ratios. Thus, to avoid flow synchronization we proposed a set of multi-class burst assembly algorithms, where the assignment of flows to classes of service was non-deterministic. We then turned our attention to the problem of QoS provisioning in a multi-class OBS network. Our goal was to provide QoS differentiation to the transmission of video traffic over OBS networks. We propose a QoS-aware scheduling algorithm that supports QoS differentiation based on preemptions, which are controlled by a novel preemption policy. Performance evaluation of the proposed scheme is based on throughput measurements for the best effort class, and perceived quality metrics like PSNR and MOS scores for the video streaming class. We then turn our attention to a new TCP-specific traffic profiling and prediction scheme, which is proposed with the aim to optimize TCP transmission over one-way OBS networks. Traffic prediction is an interesting approach for the enhancement of TCP performance over OBS. If it would be possible to accurately predict TCP flows’ throughput, it would also be possible to predict burst sizes. That would allow making reservations of the appropriate resources in advance, enhancing network performance and improving bandwidth utilization. In the proposed scheme the burst assembly unit inspects TCP packet headers in parallel to the assembly process, keeping flow-level traffic statistics. These are then exploited to derive accurate traffic predictions, in at least one RTT-long prediction window. This allows in-advance notifying traffic schedulers of upcoming traffic changes, in order to optimally re-schedule their resource reservations. In this paper, we detail the traffic profiling and prediction mechanism and also provide analytical and simulation results to assess its performance. The performance gains, when using the prediction scheme are shown with a modified one-way OBS reservation protocol, which efficiently and in advance reserves resources at the burst level. In the final part of this thesis we turn our attention to hybrid optical networks. Since no single optical switch architecture covers all requirements of future telecommunication networks, hybrid architectures that combine the merits of two or more optical switch architectures are considered very promising. In this thesis, we present a radically different hybrid optical burst switch (HOBS) architecture that combines one-way with two-way reservation under a single, unified control plane (hybrid signaling) for QoS differentiation. It takes advantage of the idle, round-trip time delay during lightpath establishment phase to transmit one-way data bursts of a lower class of service, while high priority data explicitly requests and establishes end-to-end connections (lightpaths), as in wavelength-routed OBS.

Η σύγχρονη επιστήμη της εξωτερικής βλητικής έχει εξελιχθεί ως εξειδικευμένος κλάδος της δυναμικής των στερεών σωμάτων, που κινούνται υπό την επίδραση της βαρύτητας και των αεροδυναμικών δυνάμεων και ροπών. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η προσομοίωση του δυναμικού μοντέλου ατμοσφαιρικής τροχιάς των 6 βαθμών ελευθερίας (6-DOF), εφαρμόζεται για ακριβή πρόβλεψη τροχιών από διάφορες γωνίες βολής σε μικρά και σε μεγάλα βεληνεκή και γίνεται σύγκριση με το γραμμικό μοντέλο τροχιάς, για περιστρεφόμενα ή μη περιστρεφόμενα βλήματα και σφαίρες λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό Mach και τις μεταβολές της συνολικής γωνίας εκτροπής σε σχέση με τους μεταβλητούς και σταθερούς αεροδυναμικούς συντελεστές. Επίσης, μελετώνται τα δύο είδη ευστάθειας του βλήματος: η στατική ή γυροσκοπική ευστάθεια που αφορά τη στατική θέση ισορροπίας του βλήματος και η δυναμική ευστάθεια που αφορά την κινητική του κατάσταση. Η λύση της διαφορικής εξίσωσης για ολοκληρωμένη ή απλοποιημένη κίνηση περιστρεφόμενων αξονοσυμμετρικών βλημάτων, μπορεί να μας περιγράψει την ακρογωνιαία φύση της επικυκλικής κίνησης των βλημάτων. Τέλος, αναπτύσσεται νέα σχέση υπολογισμού της επίδρασης του φαινόμενου της αεροδυναμικής αναπήδησης της ταχύτητας για περιστρεφόμενα βλήματα τα οποία πυροδοτούνται οριζόντια από μεταβλητές γωνίες, μέσα από ιπτάμενο όχημα (ελικόπτερο, πολεμικό αεροπλάνο). / On the battlefield, it is well known that the target effects using artillery systems diminish exponentially with the number of rounds fired at a particular target. To maximize target effects, rounds must be designed to hit a target with a minimum number of rounds that impact the target in rapid succession. The modern science of the exterior ballistics has evolved as a specialized branch of the dynamics of rigid bodies, moving under the influence of gravitational and aerodynamic forces and moments. The six degrees of freedom (6-DOF) simulation flight dynamics model is applied for the accurate prediction of short and long-range trajectories of high and low fin spin-stabilized projectiles and small bullets. Variable coefficients of aerodynamic forces, moments and Magnus effects are taken into account depending on Mach number and total angle of attack variations. The above analysis is compared to the modified linear modified simulation model for rapid trajectory predictions and high accuracy impact point computations for constant and variable aerodynamic coefficients is also applied for the accurate prediction of short and long range trajectories. The computational results of the proposed synthesized analysis give satisfactory agreement with other technical data and recognized exterior atmospheric projectile flight investigations. The variable modified atmospheric flight model can be further coupled to a suitable trajectory tracking control system for current and future control actions applied to projectiles for minimizing the estimated error to target impact area. Epicyclic motion and gyroscopic stability analysis are also examined for spinning and non-spinning projectiles. A new engineering correlation is proposed for the flat-fire disturbance due to aerodynamic jump performance firing at different angles which relative to the helicopter’s flight path motion. The computational results of the generalized aerodynamic jump formula are verified compared to McCoy’s recognized simulation modelling.